0.前言
前面几章，我们一起学习了C++和C语言的不同之处，已经算是半只脚迈入了C++的“门槛”，本章让我们继续学习C++的类和对象。
1.面向对过程和面向对象的初步认识
C语言是面向过程的，关注的是过程，分析出求解问题的步骤，通过函数调用逐步解决问题
C++是基于面向对象的，关注的是对象，将一件事拆分成不同的对象，靠对象之间的交互完成
举个例子：
在人洗衣服这件事上，面向的过程是：拿个盆子->放衣服->放洗衣粉->手搓->换水->放洗衣粉->手搓->拧干->晾衣服
面向的对象是：人、盆、衣服、洗衣粉
2.类的引入
C语言结构体中只能定义变量，在C++中，结构体不仅可以定义变量，也可以定义函数。比如：用C语言实现的栈，用struct只能定义结构体变量；在C++中，strcut还可以定义函数
C语言中struct的使用
typedef int DataType;
struct Stack {
DataType* _array;
size_t _capacity;
size_t _size;
};C++中struct的使用
#include<iostream>
typedef int DataType;
struct Stack
{
void Init(size_t capacity)
{
_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * capacity);
if (nullptr == _array)
{
perror("malloc申请空间失败");
return;
}
_capacity = capacity;
_size = 0;
}
void Push(const DataType& data)
{
//扩容
_array[_size] = data;
++_size;
}
DataType Top()
{
return _array[_size - 1];
}
void Destroy()
{
free(_array);
_array = nullptr;
_capacity = 0;
_size = 0;
}
DataType* _array;
size_t _capacity;
size_t _size;
};
using namespace std;
int main()
{
Stack s;
s.Init(10);
s.Push(1);
s.Push(2);
s.Push(3);
s.Push(4);
s.Push(5);
s.Push(6);
cout << s.Top() << endl;
s.Destroy();
return 0;
}代码运行的结果为：
上面的结构体定义，在C++中更喜欢用class来代替，这时候我们称用class或struc函数有t定义变量或函数的结构体，称为类
3.类的定义
class的使用形式：
class className
{
//类体：由成员函数和成员变量组成
};//一定要注意后面的分号class为定义类的关键字，Classname为类的名字，{}中为类的主体，注意类定义结束时后面分号不能省略
类体中的内容为类的成员：类中的变量称为类的属性或成员变量；类中的函数称为类的方法或者成员函数
类的两种定义方式
1.声明和定义全部在类体中，需注意：成员函数如果在类中定义，编译器可能会将其当成内联函数处理
class Person
{
public:
//显示基本信息
void showIfo()
{
cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << endl;
}
private:
char* _name;//姓名
char* _sex; //性别
int _age;//年龄
};2.类的声明放在.h文件中，成员函数定义放在.cpp文件中，注意：成员函数名前需要加类名::
//声明放在类的头文件person.h中
class Person
{
public:
//显示基本信息
void showIfo();
private:
char* _name;//姓名
char* _sex; //性别
int _age;//年龄
};
//定义放在类的实现person.cpp中
void Person::showIfo()
{
cout << _name << "-" << _sex << "-" << _age << endl;
}成员变量命名规则的建议：
class Date
{
public:
void Init(int year)
{
//这里的year到底是成员变量，还是函数参数
year = year;
}
private:
int year;
};根据局部优先原则，右边的year为参数进行赋值，左边的year为成员变量接收参数的值。像上面这样，成员变量和形参很难区分。
//所以一般都建议这样
class Date
{
public:
void Init(int year)
{
_year = year;
}
private:
int _year;
};
//或者这样
class Date
{
public:
void Init(int year)
{
}
private:
int myear;
};一般我们像上面这样在成员变量前面加下划线或字母m(member:成员)以示区分，也可以在成员变量后面加下划线，根据个人习惯或者公司要求命名规则不同。
4.类的访问限定符及封装
4.1访问限定符
C++实现封装的方式：用类将对象的属性与方法结合在一块，让对象更加完善，通过访问权限的选择性将接口提供个外部用户使用。
访问限定符的说明：
1.public修饰的成员在类外可以直接被访问
2.protected和private修饰的成员在类外不能直接被访问
3.访问权限的作用域从访问该限定符出现的位置开始直到下一个访问限定符出现时为止
4.如果后面没有访问限定符，作用域就到 } 即类结束为止
5.class的默认访问权限为private,struct为public（因为struct要兼容C）
注意：访问限定符只在编译时有用，当数据映射到内存后，没有访问限定符上的区别
4.2封装
面向对象的三大特性：封装、继承、多态，在类和对象阶段主要是研究类的封装性
封装：将数据和操作数据的方法进行有机结合，隐藏对象的属性和实现细节，仅对外公开接口和对象进行交互
eg:
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
STDataType* a;
int top;
int capacity;
}Stack;
void StackInit(Stack* ps)
{
STDataType* tmp = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * 3);
if (tmp == NULL)
{
perror("STDataType::malloc");
return;
}
ps->a = tmp;
ps->capacity = 3;
ps->top = 0;//栈顶下一个元素的位置，栈的数据个数
//ps->top = -1;//栈顶当前的位置
}
//销毁栈
void StackDestroy(Stack* ps)
{
assert(ps);
free(ps->a);
ps->capacity = ps->top = 0;
}
//入栈--尾插
void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{
if (ps->capacity == ps->top)
{
STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a,
sizeof(STDataType) * ps->capacity * 2);
if (tmp == NULL)
{
perror("StackPush::realloc");
return;
}
ps->a = tmp;
ps->capacity *= 2;
}
ps->a[ps->top] = data;
ps->top++;
}
//出栈
void StackPop(Stack* ps)
{
assert(ps);
//assert(ps->top != 0);
assert(!StackEmpty(ps));
ps->top--;
}
//获取栈顶的元素
STDataType StackTop(Stack* ps)
{
assert(ps);
//assert(ps->top != 0);
assert(!StackEmpty(ps));
return ps->a[ps->top - 1];
}
//获取栈中有效元素的个数
int StackSize(Stack* ps)
{
assert(ps);
return ps->top;
}
//检测栈是否为空，如果为空返回非零结果，如果不为空返回0
int StackEmpty(Stack* ps)
{
assert(ps);
return ps->top == 0;
}在上面用C语言实现的栈，没有对变量、函数设置访问权限进行封装，如果我们把函数接口提供和给用户使用，如下不规范的代码
int main()
{
Stack st;
//StackInit(&st);
//不适用初始化函数，自行初始化
st.a = NULL;
st.capacity = 0;
st.top = 0;
StackPush(&st, 1);
StackPush(&st, 2);
StackPush(&st, 3);
//误以为top位置的为栈顶的元素
int top = st.a[st.top];
return 0;
}上面不规范的代码中存在的问题：①用户未使用提供的初始化函数，自己使用结构体变量进行成员初始化，造成代码不规范，且没用为数组开辟空间，直接造成程序崩溃②未使用访问栈顶元素的函数，自己在外部单独访问，此时在访问栈顶元素的时候误以为top位置是栈顶位置的元素，可能存在越界访问、访问不准确等问题，为了规范这些问题
C++中栈的实现：
#include<stdio.h>
#include<stdbool.h>
#include<assert.h>
#include<stdlib.h>
typedef int STDataType;
typedef struct Stack
{
public:
void StackInit(Stack* ps)
{
STDataType* tmp = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * 3);
if (tmp == NULL)
{
perror("STDataType::malloc");
return;
}
ps->a = tmp;
ps->capacity = 3;
ps->top = 0;//栈顶下一个元素的位置，栈的数据个数
//ps->top = -1;//栈顶当前的位置
}
//销毁栈
void StackDestroy(Stack* ps)
{
assert(ps);
free(ps->a);
ps->capacity = ps->top = 0;
}
//入栈--尾插
void StackPush(Stack* ps, STDataType data)
{
if (ps->capacity == ps->top)
{
STDataType* tmp = (STDataType*)realloc(ps->a,
sizeof(STDataType) * ps->capacity * 2);
if (tmp == NULL)
{
perror("StackPush::realloc");
return;
}
ps->a = tmp;
ps->capacity *= 2;
}
ps->a[ps->top] = data;
ps->top++;
}
//出栈
void StackPop(Stack* ps)
{
assert(ps);
//assert(ps->top != 0);
assert(!StackEmpty(ps));
ps->top--;
}
//获取栈中有效元素的个数
int StackSize(Stack* ps)
{
assert(ps);
return ps->top;
}
//检测栈是否为空，如果为空返回非零结果，如果不为空返回0
int StackEmpty(Stack* ps)
{
assert(ps);
return ps->top == 0;
}
private:
//获取栈顶的元素
STDataType StackTop(Stack* ps)
{
assert(ps);
//assert(ps->top != 0);
assert(!StackEmpty(ps));
return ps->a[ps->top - 1];
}
STDataType* a;
int top;
int capacity;
}Stack;
在C++的类中，会将成员函数、变量封装起来，如果不想给别人使用的成员函数、变量可以将放到private的作用域里面去，这样就不能在类外面直接进行访问。如果出现C语言中随意访问结构体成员变量的问题，在C++中会直接报错，杜绝了代码不规范的行为。
总结：封装的本质上是一种管理，让用户更方便使用类。在C++语言中实现封装，可以通过将数据以及操作数据的方法进行有机结合，通过访问权限来隐藏对象内部实现细节，控制哪些方法可以在类外直接被使用。
5.类的作用域
类定义了一个新的作用域，类的所有成员都在类的作用域中。在类体外定义成员时，需要使用:: 作用域操作符指明成员属于哪个类域
class Person
{
public:
void PrintPersonIfo();
private:
char _name[20];
char _gender[3];
int _age;
};
//这里需要指定PrintPersonInfo是属于Person这个类域
void Person::PrintPersonIfo()
{
cout << _name << "-" << _gender << "-" << _age << endl;
}注意：全局域、局部域会影响生命周期，命名空间域、类域不会影响生命周期
6.类的实例化
用类类型创建对象的过程，称为类的实例化
1.类是对对象进行描述的，是一个模型，限定了类有哪些成员，定义出一个类并没有分配实际的内存空间来存储它
2.一个类可以实例化出多个对象，实例化出来的对象占用实际的物理空间，存储类成员变量，就像按照模型制作出的实实在在的东西。
class Person
{
public:
void PrintPersonIfo();
public:
char _name[20];
char _gender[3];
int _age;
};
int main()
{
Person._age = 100;
return 0;
}代码编译的结果为：
在上面的代码中Person类定义成员变量是声明，是没有空间的，只有Person类实例化的对象才有具体的年龄。
3.做个比方。类实例化出对象就像现实中使用建筑设计图建造出房子，类就是像设计图 ，只设计出需要什么东西，但是并没有实体的建筑存在，同样类也只是一个设计，实例化出的对象才能存储诗句，占用物理空间。
7.类的对象大小的计算
7.1类对象的存储方式
//类中既有成员变量，又有成员函数
class A1 {
public:
void f1() {};
private:
int _a;
};
//类中仅有成员函数
class A2 {
public:
void f2() {};
};
//类中什么都没有--空类
class A3
{};
#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
cout << sizeof(A1) << endl;
cout << sizeof(A2) << endl;
cout << sizeof(A3) << endl;
return 0;
}
代码运行的结果为：
通过观察上面的代码运行的结果，在计算类A1的时候，只计算了int _a的大小，没有计算成员函数的大小；但计算类A2、A3的时候，类A2、A3里面没有成员变量，但却占用一个字节，这是为什么呢？
C++规定：一个类的大小，实际就是该类中“成员变量”之和，那计算类的大小时应该遵循内存对齐规则；注意空类或只有成员函数的类，编译器给了空类一个字节来唯一标识这个类的对象。
7.2结构体内存对齐规则
1.第一个成员在结构体偏移量为0的地址处
2.其他成员成员变量要对齐到某个数字（对齐数）的整数倍地址处
注意：对齐数=编译器默认的一个对齐数与该成员大小的较小值（VS中默认的对齐数为8）
3.结构体总大小为：最大对齐数（所有变量类型最大者与默认对齐参数取得最小）的整数倍。
4.如果嵌套了结构体的情况，嵌套的结构体对齐到自己的最大对齐数的整数倍处，结构体的整体大小就是所有最大对齐数（含嵌套结构体的对齐数）的整数倍处。
8.类成员函数的this指针
8.1this指针的引出
//}
#include<iostream>
using namespace std;
class Date
{
public:
void Init(int year, int month, int day)
{
_year = year;
_month = month;
_day = day;
}
void Print()
{
cout << _year << "-" << _month << "-" << _day << endl;
}
private:
int _year;
int _month;
int _day;
};
int main()
{
Date d1, d2;
d1.Init(2022, 4, 22);
d2.Init(2022, 5, 28);
d1.Print();
d2.Print();
return 0;
}
C++通过引入this指针解决该问题，即：C++编译器给每个“非静态的成员函数”增加了一个隐藏的指针参数，让该指针指向当前对象（函数运行时调用该函数的对象），在函数体中所有“成员变量”的操作，都是通过该指针去访问。只不过所有的操作对用户是透明的，即用户不需要用来传递，编译器自动完成。
8.2this指针的特性
1.this指针的类型：类类型* const,即成员函数中，不能给this指针赋值
2.只能在“成员函数”的内部使用
3.this指针本质上是“成员函数”的形参，当对象调用成员函数时，将对象地址作为实参传递给this形参，所以对象中不存储this指针。
4.this指针是“成员函数”第一个隐含的指针形参，一般情况由编译器通过ecx寄存器自动传递，不需要用户传递。
5.this不能在形参和实参显示传递，但可以在函数内部显示使用。
void Display()
{
cout << _year << endl;
}显示含this指针的代码
void Display(Date* const this)
{
cout <<this-> _year << endl;
}接下来让我们一起看一看两道面试题
1.this指针在哪里？
2.this指针可以为空吗？
在回答两个问题前先看一下下面的代码
代码1：
#include<iostream>
using namespace std;
//1.下面程序编译运行的结果是？ A、编译报错 B、运行崩溃 C、正常运行
class A
{
public:
void Print()
{
cout << "void Print()" << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A* p = nullptr;
p->Print();
return 0;
}代码运行的结果为：
代码2：
#include<iostream>
using namespace std;
//1.下面程序编译运行的结果是？ A、编译报错 B、运行崩溃 C、正常运行
class A
{
public:
void Print()
{
cout << _a << endl;
}
private:
int _a;
};
int main()
{
A* p = nullptr;
p->Print();
return 0;
}代码运行的结果为：
代码1中，this是空指针，但是函数并没有对this指针解引用，p调用Print函数，p会作为实参传递给this指针，所以代码可以正常运行；代码2中this是空指针，且会对内访问_a，本质是this->_a，所以代码运行时会崩溃。
解答①：this为函数的形参，所以this指针跟普通参数一样存在函数调用的栈帧里面。
解答②：this指针可以为空，但是this指针为空的时候不能对this指针进行解引用。
8.3.C语言和C++实现Stack的对比
//C语言实现
#include<iostream>
#include<assert.h>
typedef int DataType;
typedef struct Stack
{
DataType* array;
int capacity;
int size;
};
void StackInit(Stack* ps)
{
assert(ps);
ps->array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
if (NULL == ps->array)
{
perror("StackInit::malloc");
return;
}
ps->capacity = 3;
ps->size = 0;
}
void StackDestroy(Stack* ps)
{
assert(ps);
free(ps->array);
ps->capacity = 0;
ps->size = 0;
}
void CheckCapacity(Stack* ps)
{
if (ps->size == ps->capacity)
{
int newcapacity = ps->capacity * 2;
DataType* tmp = (DataType*)realloc(ps->array, sizeof(DataType) * newcapacity);
if (tmp == NULL)
{
perror("CheckCapacity::realloc");
return;
}
ps->array = tmp;
ps->capacity = newcapacity;
}
}
void StackPush(Stack* ps, DataType data)
{
assert(ps);
CheckCapacity(ps);
ps->array[ps->size] = data;
ps->size++;
}
int StackEmpty(Stack* ps)
{
assert(ps);
return ps->size == 0;
}
void StackPop(Stack* ps)
{
if (StackEmpty(ps))
return;
ps->size--;
}
DataType StackTop(Stack* ps)
{
if (StackEmpty(ps))
return -1;
return ps->array[ps->size - 1];
}
int StackSize(Stack* ps)
{
assert(ps);
return ps->size;
}
int main()
{
Stack s;
StackInit(&s);
StackPush(&s, 1);
StackPush(&s, 2);
StackPush(&s, 3);
StackPush(&s, 4);
StackPush(&s, 5);
printf("%d\n", StackTop(&s));
printf("%d\n", StackSize(&s));
StackPop(&s);
StackPop(&s);
printf("%d\n", StackTop(&s));
printf("%d\n", StackSize(&s));
StackDestroy(&s);
return 0;
}代码运行的结果为：
可以看到，在用C语言实现时，Stack相关操作函数有以下共性：
①每个函数的第一个参数都是Stack*
②函数中必须要对第一个参数检测，因为该参数可能会为NULL
③函数中都是通过Stack*参数操作栈的
④函数调用必须传递Stack结构体变量的地址
C语言中数据和和操作数据的方式是分离开的，会驾驶小车的同学，会感觉C语言属于手动挡--自己控制变速箱。
#include<iostream>
#include<stdlib.h>
typedef int DataType;
class Stack
{
public:
void Init()
{
_array = (DataType*)malloc(sizeof(DataType) * 3);
if (NULL == _array)
{
perror("Init()::malloc");
return;
}
_capacity = 3;
_size = 0;
}
void Push(DataType data)
{
CheckCapacity();
_array[_size] = data;
_size++;
}
void Pop()
{
if (Empty())
return;
_size--;
}
DataType Top() { return _array[_size - 1]; }
int Empty() { return 0 == _size; }
int Size() { return _size; }
void Destroy()
{
if (_array)
{
free(_array);
_array = NULL;
_capacity = 0;
_size = 0;
}
}
private:
void CheckCapacity()
{
if (_size == _capacity)
{
int newcapacity = _capacity * 2;
DataType* tmp = (DataType*)realloc(_array, sizeof(DataType) * newcapacity);
if (tmp == NULL)
{
perror("CheckCapacity::realloc");
return;
}
_array = tmp;
_capacity = newcapacity;
}
}
private:
DataType* _array;
int _capacity;
int _size;
};
int main()
{
Stack s;
s.Init();
s.Push(1);
s.Push(2);
s.Push(3);
s.Push(4);
s.Push(5);
printf("%d\n", s.Top());
printf("%d\n", s.Size());
s.Pop();
s.Pop();
printf("%d\n", s.Top());
printf("%d\n", s.Size());
s.Destroy();
return 0;
}代码运行的结果为：
可以看到，在用C++实现时，Stack相关操作函数有以下共性：
①C++中通过类可以将数据以及数据的方法进行完美结合，通过访问权限可以控制那些办法再类外可以被调用，即封装。
②每个方法不需要传递Stack*的参数，编译器编译之后参数会自动还原，即C++中Stack* 参数是编译器维护的，C语言中自己维护。
③C++是自动挡小车--由电脑程序控制变速箱。
总结
本章我们一起简单认识了类和对象，了解了类的定义、实例化、作用域、引入、封装以及限定符、大小计算，希望对大家认识C++中的类和对象由些许帮助。
